6. Механизмы защиты генома от мутаций

Несмотря на то что иногда мутации помогают организму выжить, подавляющее большинство мутационных изменений генома нежелательно и сопровождается развитием различных патологических состояний мутантной особи или отдельной соматической клетки. Жестко действующий естественный отбор, в частности, через систему иммунного надзора элиминирует мутантные соматические клетки, опасные для существования многоклеточного организма, например предотвращая иногда развитие онкологических или аутоиммунных заболеваний. Однако к гораздо более плачевным последствиям приводит элиминация естественным отбором целой мутантной особи, так как это сопровождается непродуктивной гибелью большого числа соматических клеток и является расточительным с точки зрения энергетических затрат на их биосинтез. Генетическая информация любого организма тщательно защищена от мутационных повреждений, что делает мутации в жизненно важных локусах генома очень редкими. Защита осуществляется на нескольких уровнях. Прежде всего, организм старается не допустить попадания химических мутагенов в жизненно важные локусы своего генома. Это достигается двумя путями. Во-первых, избыточные последовательности нуклеотидов ДНК, экранируя кодирующие последовательности нуклеотидов в геноме эукариот, принимают удар большей части химических мутагенов на себя, не допуская их попадания в такие локусы. Те же цели могут быть достигнуты за счет особой пространственной организации ДНК в конкретных участках генома (подробнее см. раздел 5.3). Во-вторых, в клетках имеются многочисленные высоко- и низкомолекулярные ловушки мутагенов, важнейшими из которых являются: маннит, энкефалины, индолы, желчные кислоты и их производные, -токоферол, аскорбиновая кислота, тирозин, серотонин, а также ряд других соединений экзогенного и эндогенного происхождения.

К сожалению, обе системы защиты не обладают 100%-й эффективностью. То же можно сказать и о точности функционирования ферментных систем, осуществляющих воспроизведение генетической информации. Поэтому многочисленные нарушения первичной структуры ДНК неизбежны. Тем не менее, большинство первичных повреждений не превращается в мутации благодаря функционированию высокоэффективных систем репарации ДНК, состоящих из многих ферментных компонентов. Из-за исключительной важности функционирования систем защиты генетической информации в поддержании эффективной экспрессии генов ниже будут рассмотрены основные компоненты систем репарации ДНК и принципы их работы.

2. Репарация днк

Большая группа молекулярно-генетических явлений, известная в настоящее время под общим названием "репарация повреждений ДНК", была осознана как отдельный и очень важный биологический феномен лишь в конце 1950-х годов. По мнению Ф. Сталя такая задержка в развитии этого направления исследований была связана с широко распространенным мнением о том, что гены, как чрезвычайно тонко и точно организованные биологические структуры, должны быть хорошо защищены от самой возможности биохимических повреждений, например путем упаковки в высокоэффективную защитную оболочку. В то время невозможно было представить себе ген в виде нестабильной макромолекулы, структура которой динамически изменяется на протяжении жизненного цикла организма, непрерывно отклоняясь от своего начального состояния и возвращаясь к исходной структуре в результате координированного функционирования большого числа ферментных систем.